生物化學(xué)工程與現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

生物化學(xué)工程與現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化陳洪章

中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研討所

生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1/4/20241化學(xué)生物一、生物化學(xué)工程生物化學(xué)工程化學(xué)工程生物工程生物化學(xué)工程基因工程現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化1/4/202421、目前能廣泛接受的----國(guó)際協(xié)作及開(kāi)展組織的定義生物技術(shù)是運(yùn)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依托微生物、動(dòng)物、植物體作為反響器將物料進(jìn)展加工以提供產(chǎn)品來(lái)為社會(huì)效力的技術(shù)。

從這個(gè)定義中，可歸納出生物技術(shù)三個(gè)特點(diǎn)：1〕生物技術(shù)的多學(xué)科性和綜合性2〕微生物、動(dòng)植物作為生物催化劑，有別于化學(xué)催化劑3〕最終目的將生物反響開(kāi)發(fā)成為工業(yè)消費(fèi)的工藝過(guò)程，即生物反響過(guò)程〔Bioprocess〕。二、現(xiàn)代生物技術(shù)1/4/202432、現(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生〔1953〕Watson和Crick----發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋構(gòu)造---奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)的根底

〔1973〕Boyer和Cohen---發(fā)明了DNA目的基因重組技術(shù)---DNA重組技術(shù)在很大程度上得益于分子生物學(xué)、微生物遺傳學(xué)和核酸酶學(xué)等領(lǐng)域的開(kāi)展反過(guò)來(lái)DNA重組技術(shù)的逐漸成熟和開(kāi)展—---對(duì)生命科學(xué)的許多領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響---成為20世紀(jì)以來(lái)開(kāi)展最快的學(xué)科之一---而受DNA重組技術(shù)的影響最為深化的是生物技術(shù)，---完成了從傳統(tǒng)生物技術(shù)向現(xiàn)代生物技術(shù)的飛躍

現(xiàn)代生物技術(shù)是隨著DNA重組技術(shù)的開(kāi)展而提出來(lái)1/4/202443、對(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)的了解

現(xiàn)代生物技術(shù)-----是如何利用DNA重組技術(shù)-----把它作為有效手段-----并非DNA重組技術(shù)就是現(xiàn)代生物技術(shù)僅僅有DNA重組技術(shù)實(shí)現(xiàn)不了生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

4、現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)涵根據(jù)當(dāng)前生物技術(shù)的開(kāi)展，給現(xiàn)代生物技術(shù)下一個(gè)定義：

以DNA重組為主要手段，利用可再生性資源，依托清潔、經(jīng)濟(jì)的生物反響器加工人類所需產(chǎn)品的可繼續(xù)開(kāi)展技術(shù)。

1/4/202451、產(chǎn)業(yè)化〔Industrialization〕--技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)化過(guò)程---目的產(chǎn)質(zhì)量量---市場(chǎng)需求---可商業(yè)化程度2、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化---當(dāng)今生物高技術(shù)研討成果的必然---生物技術(shù)具有顯示強(qiáng)大生命力表達(dá)---涉及領(lǐng)域極其廣泛〔太空、海洋〕3、生化工程重點(diǎn)研討生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中瓶頸問(wèn)題---保證生物加工工藝設(shè)備條件，到達(dá)產(chǎn)質(zhì)量量---技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀念貫穿于生化工程研討始末，降低本錢三、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化與生物化學(xué)工程1/4/20246四、生物化學(xué)工程與生物技術(shù)上中下游關(guān)系1、生物技術(shù)的上、中、下游過(guò)程生物反響器---作為生物反響過(guò)程的中心即中游加工---反響前與后的工序稱為上游加工和下游加工l

上游加工----最重要的是提供和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑即運(yùn)用常規(guī)選育、基因工程、細(xì)胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細(xì)胞系或固定化的菌體等1/4/20247l

下游加工-----從反響液中提取目的產(chǎn)物加工精制成合格產(chǎn)品l

中游加工-------生物反響器為中心生物化學(xué)工程------包括中下游兩部分

1/4/20248五、生物化學(xué)工程學(xué)科----研討生物反響過(guò)程中共性工程技術(shù)問(wèn)題----為生物工程效力的化學(xué)工程----它即可視為化學(xué)工程的一個(gè)分支----又可以為是生物工程的一個(gè)組成部分----生化工程為生物學(xué)和化學(xué)工程的紐帶1/4/202491、根本概念科學(xué)---討論是什么？發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、認(rèn)識(shí)自然技術(shù)---處理如何做？工程---根據(jù)科學(xué)原理和有關(guān)技術(shù)，組合出高效、合理的一定構(gòu)造的技術(shù)系統(tǒng)六、工程概念了解與生物化學(xué)工程1/4/2024102、工程學(xué)家的角色科學(xué)--粘合劑技術(shù)---各種資料工程學(xué)家象藝術(shù)家一樣------如何利用好它們雕塑成一副工藝品工程學(xué)家也類似于音樂(lè)家一樣------把七個(gè)音符組合出優(yōu)美的樂(lè)曲

工藝品或樂(lè)曲---必需具有市場(chǎng)---產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值---要有經(jīng)濟(jì)學(xué)家的頭腦要把科學(xué)原理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合思索----也有哲學(xué)家的思想

工程學(xué)家---組合藝術(shù)1/4/202411總之--工程學(xué)家-----即要具有藝術(shù)家的目光-----又要有哲學(xué)家的思想-----還要有經(jīng)濟(jì)學(xué)家的頭腦-----同時(shí)具有科學(xué)家的知識(shí)闡明工程學(xué)家---重要性不容易1/4/2024123、名家的了解著名的科學(xué)家葉渚沛對(duì)工程科學(xué)的是這樣了解的

“自然科學(xué)家主要把興趣集中在自然景象，而工程科學(xué)家那么把興趣集中于處理實(shí)踐的問(wèn)題上〞。

“自然科學(xué)和工程學(xué)的‘結(jié)親’產(chǎn)生運(yùn)用科學(xué)乃是邏輯的開(kāi)展，但工程學(xué)家卻經(jīng)常遭到雙重的埋怨，自然科學(xué)家以為這是有降低科學(xué)程度的趨勢(shì)，而職業(yè)運(yùn)用工程師那么以為是對(duì)一些在長(zhǎng)期實(shí)際中積累的閱歷和價(jià)值有不信任的趨勢(shì)。但是，工程學(xué)家用新的方式把這些學(xué)科結(jié)合起來(lái)，就能產(chǎn)生足以構(gòu)成新發(fā)明或新發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)或發(fā)明又帶動(dòng)它本身的開(kāi)展，而且對(duì)科學(xué)有很大奉獻(xiàn)。〞1/4/2024134、科學(xué)與工程開(kāi)展歷程科學(xué)最早由哲學(xué)家提出---進(jìn)展研討---得出規(guī)律---成為科學(xué)。目前國(guó)外科學(xué)方面博士仍稱為“哲學(xué)博士〞而工程學(xué)是漸漸的開(kāi)展而來(lái)的----獲得工學(xué)博士比獲哲學(xué)博士更難〔過(guò)程所3-5年獲工學(xué)博士〕5、自然科學(xué)家與工程科學(xué)家的比較科學(xué)家按學(xué)科分類，根據(jù)結(jié)果分析、嚴(yán)厲實(shí)際推導(dǎo)---分解的觀念工程師面對(duì)實(shí)踐問(wèn)題的綜合性的、多學(xué)科---靠工程技術(shù)閱歷，半實(shí)際、半閱歷性的---系統(tǒng)性、整體性的觀念1/4/202414生命景象的本質(zhì)？

生命活動(dòng)的規(guī)律？19世紀(jì)：細(xì)胞是生命的根本單位細(xì)胞學(xué)說(shuō)：細(xì)胞是動(dòng)植物構(gòu)造和功能的根本單位，一切生命景象都是以細(xì)胞為根底表達(dá)的七、生命本質(zhì)了解與生物化學(xué)工程1/4/202415遺傳密碼蛋白質(zhì)三維構(gòu)造基因轉(zhuǎn)錄線性多肽鏈

〔無(wú)功能活性〕翻譯生命活動(dòng)的分子根底以核酸和蛋白質(zhì)為中心的生物大分子是生命景象的共同物質(zhì)根底，細(xì)胞和有機(jī)體一切生命活動(dòng)都是以這些生物大分子及其復(fù)合物的構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)和相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)造與功能分子生物學(xué)：20世紀(jì)生物學(xué)的主流1/4/202416生命是什么？無(wú)序與有序問(wèn)題在自然科學(xué)中，生命科學(xué)----非生命科學(xué)-----不斷存在一條鴻溝非生命過(guò)程-------按照克勞修斯熱力學(xué)第二定律---以為自然界中一切自發(fā)過(guò)程都是熵增大的過(guò)程，----而熵的增大意味著混亂度的升高。

生命過(guò)程----整個(gè)自然界永遠(yuǎn)只能從有序走向無(wú)序，---這就完全排除了從無(wú)序走向有序的能夠性。---存在著從無(wú)序向有序、從低級(jí)向高級(jí)開(kāi)展的過(guò)程---是一個(gè)熵減少的過(guò)程這就鼓勵(lì)許多實(shí)際物理學(xué)家研討生命景象1/4/202417如40年代實(shí)際物理學(xué)家薛定鄂-----<生命是什么>--就指出生命過(guò)程是熵減少，是負(fù)熵。68年比利時(shí)普里高津--從非平衡熱力學(xué)實(shí)際出發(fā)--提出耗散構(gòu)造實(shí)際--嚴(yán)厲證明了遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的開(kāi)放系統(tǒng)中--過(guò)程的復(fù)雜性特征可自然產(chǎn)生穩(wěn)定的自組織行為--從無(wú)序演化出時(shí)空上的有序構(gòu)造負(fù)熵概念和耗散構(gòu)造實(shí)際--讓人們加深對(duì)生命科學(xué)有序性的了解

1/4/202418時(shí)間可逆與不可逆問(wèn)題---非線性問(wèn)題牛頓力學(xué)的“決議論〞和嚴(yán)厲的“因果關(guān)系〞-----影響到自然科學(xué)的全部思想方式-----處理了自然科學(xué)許多艱苦課題-----又開(kāi)展了量子論和相對(duì)論--引向微觀世界和整個(gè)宇宙。

而牛頓力學(xué)、量子論和相對(duì)論的時(shí)間卻是可逆的在生命科學(xué)中-----時(shí)間不可逆-----一切生物從出生到死亡是不可逆的-----也就是說(shuō)時(shí)間是不可逆的，是一方向的為什么？-----主要是由于生命科學(xué)極其復(fù)雜的----非線性過(guò)程-----非線性是生命科學(xué)中帶有根本性的、普遍性的問(wèn)題，是生物系統(tǒng)所固有的動(dòng)態(tài)屬性非線性--曾經(jīng)成為當(dāng)今自然科學(xué)根底實(shí)際研討的艱苦課題1/4/202419生命的本質(zhì)問(wèn)題

因此，生命科學(xué)的根本特征-----是生命過(guò)程的有序性和非線性-----是整個(gè)生物界之所以能在這錯(cuò)綜紛繁的世界中不斷生衍繁衍、不斷進(jìn)化開(kāi)展的根本要素